CN101330617A - 基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字视频编解码技术领域的多标准帧内预测器的硬件实现方法及装置，其中：控制单元完成实际预测模式到基本预测模式的映射，并根据此实际预测模式对应的一次或多次基本帧内预测的运算流程对其它各单元进行控制；数据准备单元为基本运算单元提供运算的参考数据；基本运算单元完成一次基本帧内预测模式的运算操作。本发明利用同类帧内预测模式的相似性，将一次实际的帧内预测，分解为一次或多次基本帧内预测，在硬件实现时，只需要实现较少的几种小尺度基本预测模式的硬件，而不必针对每一种实际预测模式设计相应的硬件，从而有效地节省了资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字视频编解码技术领域的方法及其装置，具体是一种多标准帧内预测器的硬件实现方法与装置。
背景技术
H.264是由国际电信联盟(ITU)和国际标准化组织(ISO)于2003年5月共同发布的新一代视频压缩编解码标准。它目前已经得到了广泛的应用。AVS(数字音视频编解码技术标准)是由AVS工作组制定的一种多媒体信源编码标准。该技术标准的视频部分于2006年2月22日被颁布为中华人民共和国国家标准，标准号GB/T 20090.2-2006，于2006年3月1日起实施。
AVS和H.264均采用了帧内预测的方法。帧内预测旨在消除视频数据的空间冗余度，从而达到压缩视频数据的目的。帧内预测以块的方式进行，正在处理的块通过已经处理完毕的相邻块预测得出，块的大小不同，也影响到处理的复杂度与最终的压缩性能。H.264的亮度块根据档次(Profile)的不同，可以在4x4、8x8或16x16尺度中进行选择，色度块为8x8尺度；AVS的亮度块与色度块均采用8x8尺度。每一种尺度又包含了多种预测模式；对于亮度块与色度块，以及H.264与AVS标准，预测模式也各有区别。因此，要实现一个既支持H.264又支持AVS的多标准帧内预测装置，需要实现很多种不同尺度、不同类型的预测模式，其代价是非常巨大的。所以有必要提取出其中的共性，通过一些基本预测模式的组合，实现不同模式的预测，从而达到节省资源的目的。
经对已有文献的检索发现，徐张磊等人在“一种支持H.264和AVS的帧内预测器设计”(《中国图像图形学报》2007年第10期)中提出了一种将H.264与AVS中帧内预测归纳为31种预测模式的方法。该方法将AVS与H.264中8x8尺度下的各种预测模式合并在一起，达到了减少需要实现的预测模式数目的效果。但是该方法仍然包含了较多的冗余成分，比如没有将不同块尺度下的同类模式进行合并，因而不是最优的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法及装置，利用H.264与AVS中同类预测模式的相似性，提取出基本的预测模式，通过一次或多次基本预测模式的组合，实现不同模式的帧内预测，以减少需要实现的预测模式硬件逻辑，达到节省资源的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，包括以下步骤：
步骤一，输入实际的预测模式编号，并根据该编号得到其对应标准、预测模式类型与预测模式尺度。
步骤二，根据步骤一的实际预测模式类型，得到对应的基本预测模式及基本预测尺度，存入相应寄存器。
步骤三，根据步骤一的实际预测模式尺度，得到其所包含的4x4块数目，存入相应寄存器。
步骤四，获取实际的帧内预测参考像素，并存入实际参考像素寄存器。
步骤五，令当前预测块索引值为0。
步骤六，根据当前预测块索引与实际预测模式类型，从实际参考像素寄存器中选择处理此子块所需要用到的参考像素数据存入基本参考像素寄存器中。
步骤七，使用基本预测模式对基本参考数据进行预测，得到基本预测尺度大小的子块数据，并进行输出。
步骤八，根据基本预测尺度，更新当前预测块索引。
步骤九，判断当前预测块索引是否等于实际预测块所包含的4x4块数目，若相等，表示所以子块已处理完成，预测结束；否则跳回到步骤六继续处理。
所述步骤一中，实际帧内预测编号与模式所属标准、预测类型与预测尺度存在对应关系。该编号在进行帧内预测前，由外部模块存入对应的寄存器内。
所述步骤二中，如果当前的帧内预测模式为H.264中任何尺度的直流(DC)或平面(Plane)类型模式，将实际预测模式作为基本预测模式写入相应寄存器，并将其实际尺度作为基本预测尺度，写入相应寄存器；如果当前帧内预测模式为AVS中的直流(DC)类型模式，将AVS的直流预测模式(DCAVS)作为基本预测模式写入相应寄存器，并将4x4作为基本预测尺度写入相应寄存器；如果当前帧内预测模式为AVS中的平面(Plane)模式，将H.264的8x8尺度平面模式作为基本预测模式写入相应的寄存器，并将8x8作为基本预测尺度写入相应寄存器；否则，将同种类型的4x4尺度预测模式作为基本预测模式写入相应的寄存器，并将4x4作为基本预测尺度写入相应寄存器。
所述步骤四中，实际的参考像素数据包括左下方、左方、左上方、上方和右上方的参考像素数据，参考像素数据由外部模块准备好，供帧内预测器读取。帧内预测器中的实际像素寄存器包括可存储16点数据的左寄存器、可存1点数据的左上寄存器，和可存16点数据的上寄存器。如果实际预测尺度为16x16，读入左方、左上方、与上方的参考像素数据，存入实际参考像素寄存器；如果实际预测尺度为8x8，读入左下方、左方、左上方、上方、右上方的参考像素数据，将左方和左下方的数据存入左寄存器，左上方数据存入左上寄存器，上方和右上方数据存入上寄存器；否则，读入左方、左上方、上方、右上方的参考像素数据，将左方4点数据存入左寄存器的高位，将左上方数据存入左上寄存器，将上方和右上方数据存入上寄存器高位。
所述步骤七中，除4x4尺度的左下方向预测模式(Down_Left)外，其它基本预测模式的运算方式与标准相对应。4x4尺度的左下方向预测模式为了同时兼容H.264与AVS标准，执行以下步骤：
第一步，对上方数据进行滤波，并将滤波结果存入寄存器中；
第二步，判断当前预测模式所属标准，如果是H.264，直接输出上方滤波数据，运算结束；否则，继续执行第三步。
第三步，对左方数据进行滤波，并将滤波结果与上方滤波数据取均值，得到滤波均值数据。
第四步，输出AVS标准对应的滤波均值数据。
在本发明上述方法中，通过步骤二的模式映射，将一个实际需要预测的块，拆分为多个子块分别进行处理，并且通过步骤六的参考像素数据选择，使得各个子块能够使用相同的运算单元进行运算，从而减小了预测运算所需实现的运算单元复杂度。步骤七中所描述的左下方向预测的方式，可实现同时兼容H.264与AVS标准的基本预测模式，避免了相似逻辑的重复实现。上述方法将H.264与AVS标准中不同尺度的预测模式，拆分为相同尺度的子块进行处理，利用共用模式或兼容模式的方式进行处理，极大地减小了运算单元的种类与复杂度。
本发明所涉及的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现装置，包括控制单元、数据准备单元与基本运算单元，其中：
所述控制单元，负责将输入的实际预测模式编号译码为其所属标准、预测类型与预测尺度的信息；通过查表映射得到基本预测模式类型与基本预测尺度；将计算得到的当前预测块索引与查表得到的实际预测模式类型传给数据准备单元；将基本预测模式类型传给基本运算单元。完成上述工作后，控制单元控制其它单元开始工作，然后等待基本运算单元处理结束，根据基本预测尺度更新当前预测块索引，并判断是否完成预测过程或继续下一个子块的预测运算。
所述数据准备单元，根据当前预测块索引及实际预测模式类型，准备好当前基本预测模式需要的参考像素数据后，给出数据有效信号，将参考像素数据传给基本运算单元。
所述基本运算单元，等待数据准备单元给出数据有效信号后，根据基本预测模式与数据准备单元提供的参考像素数据，进行预测操作并输出预测结果。
在本发明上述装置中，控制单元将一次实际帧内预测运算分解为一次或多次基本预测模式，数据准备单元根据当前预测块索引为每次基本预测提供参考数据，使得基本运算单元对于每一次的运算操作都可以使用相同的逻辑实现。从而可以利用一次或多次基本预测来实现一次实际的帧内预测。
由上可知，本发明提供的硬件实现方法和装置，利用了H.264与AVS中帧内预测模式间的相似性，使用提取出的基本的小尺度基本预测模式，多次重复以实现对应多种标准中不同尺度下的各种预测模式，从而有效地节省了资源。能够支持AVS中的8x8亮度与色度块，H.264基本档次(Baseline Profile)与主要档次(Main Profile)中的4x4亮度块、16x16亮度块和8x8色度块，以及H.264高级档次(High Profile)中的8x8亮度块形式下的各种帧内预测模式。
特别的，将本发明与徐张磊等人的论文方案进行比较，能够发现，为了实现H.264与AVS标准中各种档次下的帧内预测模式，徐张磊等人的方案将35种预测模式合并为31种，消耗了10371个LUTS；而在本发明中，将预测模式归纳为14种，实现相同的功能只消耗了5500个LUTS，所占资源是前者的一半略多。因此可见，使用此方案所节省的资源是相当可观的。
附图说明
图1为本发明装置结构框图；
图2为本发明实施例AVS左下方向预测的参考像素数据图；
图3为本发明实施例AVS左下方向预测的基本预测参考像素图；
图4为本发明实施例左下方向基本预测的参考像素及运算数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例采用的装置包括控制单元、数据准备单元与基本运算单元，其中：
控制单元通过对输入的实际预测模式编号的译码、查表映射与计算，得到实际预测模式类型与基本预测模式类型，并且通过计数得到当前预测块索引。将实际预测模式类型与当前预测块索引传给数据准备单元，并将基本预测模式类型传给基本运算单元后，控制单元给出运算的使能信号，控制其它单元开始工作。当基本运算单元结束后，控制单元根据基本预测尺度更新当前预测块索引，并判断是否完成预测过程或继续下一子块的预测运算。
数据准备单元根据当前预测块索引及实际预测模式类型，准备好当前基本预测模式需要的参考像素数据后，给出数据有效信号，将参考像素数据传给基本运算单元。
基本运算单元等待数据准备单元给出数据有效信号后，根据基本预测模式与数据准备单元提供的参考像素数据，进行预测操作并输出预测结果。
本实施例基于H.264与AVS中8x8尺度的左下方向预测模式进行帧内预测处理，包括以下步骤：
步骤一，输入实际的预测模式编号，得到其对应标准为H.264或AVS，预测类型为左下方向预测，预测尺度为8x8。
步骤二，根据实际预测模式类型为左下方向预测，得到对应的基本预测模式为左下方向基本预测，基本预测尺度为4x4。
步骤三，根据实际预测模式尺度为8x8，得到其所包含的4x4块数目为4。
步骤四，获取实际的帧内预测参考像素，并存入实际参考像素寄存器。如图2所示，实际的参考像素数据包括左下方、左方、左上方、上方和右上方的参考像素数据，帧内预测器中的实际像素寄存器包括可存储16点数据的左寄存器、可存1点数据的左上寄存器，和可存16点数据的上寄存器。因为当前实际预测尺度为8x8，故将左方和左下方的数据存入左寄存器，左上方数据存入左上寄存器，上方和右上方数据存入上寄存器。若当前标准为H.264，并不需要左下方数据，将左方参考数据存入左寄存器高位即可。
步骤五，令当前预测块索引值为0。
步骤六，根据当前预测块索引与实际预测模式类型，从实际参考像素寄存器中选择处理此子块所需要用到的参考像素数据存入基本参考像素寄存器中。如图3所示，对于不同的当前预测块索引情况，深色的像素块表示所选择的子块参考数据，特别的，在索引值为3时，将左下与右上方的8个参考数据分别经过复制扩展得到9个子块参考数据。
步骤七，基本预测模式对基本参考数据进行预测，得到基本预测尺度大小的子块数据，并进行输出。当前基本预测模式为左下方向基本预测模式，为了同时兼容H.264与AVS标准，执行以下步骤：
第一步，对上方参考数据进行滤波：
U0＝(L+2*M+N+2)＞＞2
U1＝(M+2*N+O+2)＞＞2
U2＝(N+2*O+P+2)＞＞2
U3＝(O+2*P+Q+2)＞＞2
U4＝(P+2*Q+R+2)＞＞2
U5＝(Q+2*R+S+2)＞＞2
U6＝(R+2*S+T+2)＞＞2
第二步，如果当前为H.264解码，即为DL8模式时，跳到第三步；否则为DLAVS模式，对左方参考数据进行滤波：
L0＝(A+2*B+C+2)＞＞2
L1＝(B+2*C+D+2)＞＞2
L2＝(C+2*D+E+2)＞＞2
L3＝(D+2*E+F+2)＞＞2
L4＝(E+2*F+G+2)＞＞2
L5＝(F+2*G+H+2)＞＞2
L6＝(G+2*H+I+2)＞＞2
第三步，如果当前为H.264的DL8模式，则运算结果：
R0＝U0
R1＝U1
R2＝U2
R3＝U3
R4＝U4
R5＝U5
R6＝U6
否则，若为DLAVS模式，运算结果：
R0＝(U0+L0)＞＞1
R1＝(U1+L1)＞＞1
R2＝(U2+L2)＞＞1
R3＝(U3+L3)＞＞1
R4＝(U4+L4)＞＞1
R5＝(U5+L5)＞＞1
R6＝(U6+L6)＞＞1
第四步，输出当前4x4子块的预测数据，发送结束信号到控制单元，一次基本预测结束。
步骤八，根据基本预测尺度为4x4，更新当前预测块索引，将索引值加1。
步骤九，由于实际预测块所包含的4x4块数目为8，判断当前预测块索引是否等于8，或相等则表示所有子块已处理完成，预测结束；否则跳回到步骤六继续处理。
在这一实施例中，将8x8尺度的左下方向预测模式分解为4次4x4尺度的左下方向基本预测处理。并且通过步骤六所述的基本预测参考像素选取方式，使得4次4x4尺度基本预测处理的运算方式完全一致。对于H.264与AVS标准中左下方向预测模式的区别，本实施例通过步骤七中所述的操作实现了对两种标准的同时兼容。因此采用该实施例中所述的4x4尺度左下方向基本运算单元，可实现H.264标准中8x8与4x4尺度的左下方向预测模式与AVS标准中的8x8尺度的左下方向预测模式。
Claims (8)
1、一种基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，输入实际的预测模式编号，并根据该编号得到其对应标准、预测模式类型与预测模式尺度；
步骤二，根据步骤一的实际预测模式类型，得到对应的基本预测模式及基本预测尺度，存入相应寄存器；
步骤三，根据步骤一的实际预测模式尺度，得到其所包含的4×4块数目，存入相应寄存器；
步骤四，获取实际的帧内预测参考像素，并存入实际参考像素寄存器；
步骤五，令当前预测块索引值为0；
步骤六，根据当前预测块索引与实际预测模式类型，从实际参考像素寄存器中选择处理此子块所需要用到的参考像素数据存入基本参考像素寄存器中；
步骤七，使用基本预测模式对基本参考数据进行预测，得到基本预测尺度大小的子块数据，并进行输出；
步骤八，根据基本预测尺度，更新当前预测块索引；
步骤九，判断当前预测块索引是否等于实际预测块所包含的4×4块数目，若相等，表示所有子块已处理完成，预测结束；否则跳回到步骤六继续处理。
2、如权利要求1所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征是，所述步骤二中，如果当前的帧内预测模式为H.264中任何尺度的直流或平面类型模式，将实际预测模式作为基本预测模式写入相应寄存器，并将其实际尺度作为基本预测尺度，写入相应寄存器；
如果当前帧内预测模式为AVS中的直流类型模式，将AVS的直流预测模式作为基本预测模式写入相应寄存器，并将4×4作为基本预测尺度写入相应寄存器；
如果当前帧内预测模式为AVS中的平面模式，将H.264的8×8尺度平面模式作为基本预测模式写入相应的寄存器，并将8×8作为基本预测尺度写入相应寄存器；
否则，将同种类型的4×4尺度预测模式作为基本预测模式写入相应的寄存器，并将4×4作为基本预测尺度写入相应寄存器。
3、如权利要求1所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征是，所述步骤四中，实际的参考像素数据包括左下方、左方、左上方、上方和右上方的参考像素数据，参考像素数据由外部模块准备好，供帧内预测器读取。
4、如权利要求3所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征是，所述帧内预测器中的实际像素寄存器包括可存储16点数据的左寄存器、可存1点数据的左上寄存器，和可存16点数据的上寄存器，如果实际预测尺度为16×16，读入左方、左上方、与上方的参考像素数据，存入实际参考像素寄存器；
如果实际预测尺度为8×8，读入左下方、左方、左上方、上方、右上方的参考像素数据，将左方和左下方的数据存入左寄存器，左上方数据存入左上寄存器，上方和右上方数据存入上寄存器；
否则，读入左方、左上方、上方、右上方的参考像素数据，将左方4点数据存入左寄存器的高位，将左上方数据存入左上寄存器，将上方和右上方数据存入上寄存器高位。
5、如权利要求1所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征是，所述步骤七中，除4×4尺度的左下方向预测模式外，其它基本预测模式的运算方式与标准相对应。
6、如权利要求5所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现方法，其特征是，所述4×4尺度的左下方向预测模式，为了同时兼容H.264与AVS标准，执行以下步骤：
第一步，对上方数据进行滤波，并将滤波结果存入寄存器中；
第二步，判断当前预测模式所属标准，如果是H.264，直接输出上方滤波数据，运算结束；否则，继续执行第三步；
第三步，对左方数据进行滤波，并将滤波结果与上方滤波数据取均值，得到滤波均值数据；
第四步，输出AVS标准对应的滤波均值数据。
7、一种基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现装置，其特征在于，包括控制单元、数据准备单元与基本运算单元，其中：
所述控制单元，负责将输入的实际预测模式编号译码为其所属标准、预测类型与预测尺度的信息，通过查表映射得到基本预测模式类型与基本预测尺度，将计算得到的当前预测块索引与查表得到的实际预测模式类型传给数据准备单元，将基本预测模式类型传给基本运算单元，完成上述工作后，控制单元控制其它单元开始工作，然后等待基本运算单元处理结束，根据基本预测尺度更新当前预测块索引，并判断是否完成预测过程或继续下一个子块的预测运算；
所述数据准备单元，根据当前预测块索引及实际预测模式类型，准备好当前基本预测模式需要的参考像素数据后，给出数据有效信号，将参考像素数据传给基本运算单元；
所述基本运算单元，等待数据准备单元给出数据有效信号后，根据基本预测模式与数据准备单元提供的参考像素数据，进行预测操作并输出预测结果。
8、如权利要求7所述的基于模式映射的多标准帧内预测器的硬件实现装置，其特征是，所述控制单元将一次实际帧内预测运算分解为一次或多次基本预测模式，数据准备单元根据当前预测块索引为每次基本预测提供参考数据，使得基本运算单元对于每一次的运算操作都能使用相同的逻辑实现，从而利用一次或多次基本预测来实现一次实际的帧内预测。
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